第2章
一呼一吸，气体交换的奇迹

记得那是午夜过后的某个时刻，我悄悄走进卧室，仔细察看婴儿床里的女儿。她是我们的第一个孩子，出生在新年的前夜，刚两周大。银色的月光透过窗户倾泻进来，照亮了她。女儿的睡姿憨态可掬：眼睛紧闭，头微微向右倾斜，双臂举过头顶，仿佛在不停地伸展着。她那令人陶醉的新生儿气味，令人狂喜，也使人平静。

就像其他的父母那样，我注意观察孩子的睡眠是不是深沉、平稳，但也本能地确认了一下在安静的表面之下，生命是否仍在孩子的体内跳跃。为此，我先仔细看了看孩子的腹部，以确认她有呼吸。她当然是有呼吸的，孩子的胸部和腹部在毯子下一起一伏，我们都认为那就是生命的节奏。

对于我们所钟爱的，无论是老年人还是年轻人，也无论是人还是宠物，在看他们睡觉时，我们不免本能地去察看他们的呼吸。其中有一些我们都习以为常的重要的东西，我们会不自觉地、无意识地把它等同于生命本身。每当人们互相察看呼吸时，都在印证古罗马哲学家西塞罗（Cicero）的一句话：“一息尚存，我就不放弃希望。” ¹

从生理学上讲，我们观察到的是气体交换的奇迹。我们从大气中摄取一种看不见的元素，然后把它带到体内消耗掉。这个过程从脑干（位于颅骨底部，是大脑最原始的部分）发出的信号开始，通过神经传递给吸气肌，命令它们收缩。其中，最大也最重要的肌肉是横膈膜。它是一片薄薄的、圆顶状的骨骼肌，将胸腔和腹腔分隔开。

每接收到一个信号，横膈肌就向下收缩一次，并带动胸腔和肺一起运动。这就在气管和肺内部产生了负压，使空气能够涌入，就像水流入河流一样。空气通过口或鼻进入人体，经过喉咙后部，再经过声带，进入气管。在胸骨下半部分，气管分为左、右主支气管。左、右主支气管渐渐分成较小的支气管，即细支气管。空气穿过细支气管，它们延伸到肺的深处，看起来就像恒星在太空中喷发的卷须，空气最后会渗进肺泡，这些葡萄般的簇状细胞位于狭窄的呼吸管末端，是气体交换发生的地方。

氧气在肺泡里会从高浓度的区域自发地向低浓度的区域扩散，毫不费力地穿过薄薄的肺泡表面（只有一个细胞的厚度），到达相邻的毛细血管。在这里，成千上万个饥饿的红细胞捕获氧气后，会被心脏泵入动脉，然后进入被毛细血管网络渗透的器官组织。在组织中，氧气从红细胞中释出，通过毛细血管扩散到附近器官或肌肉的细胞中。（如图2—1所示）

每个细胞内都分布着一种叫线粒体的特殊细胞器，线粒体专门被用来进行呼吸作用：氧气和葡萄糖结合产生二氧化碳、水和三磷酸腺苷。三磷酸腺苷是人体主要的能量来源，是驱动身体中许多分子活动（包括肌肉收缩、酶的产生和细胞内分子运动）的动力。三磷酸腺苷通过切断一个磷酸基（其电子处于高强度状态）来引起这些反应，从而保证了细胞各项生命活动的能量供应。在此过程中产生的二磷酸腺苷被回收到线粒体，通过线粒体的呼吸作用还原成高能量的三磷酸盐。

作为氧气消耗和细胞呼吸的副产品，二氧化碳从细胞中溶解到血液里，回到毛细血管中，然后再流向静脉。二氧化碳并不能为我们的身体所用，而是被静脉系统转运回肺部，并释放进肺泡。接下来，肺泡中富含二氧化碳的气体，会随着横膈膜的放松，经由细支气管和主支气管被挤压出去，并最终经口腔或鼻腔排出体外，回到大气中（如图2—2所示）。

二氧化碳很容易扩散回空气中，原因是其在大气中的含量非常低，只占0.04%。大气中的氧气含量相对较高，保持在21%的水平。因此，在开始下一次呼吸时，我们的身体又能够再次充满这种生命分子。（大气的其余部分几乎全是氮，它对人体无害，但也没什么用。）

我们如此关注熟睡中的亲人吸气和呼气的过程，是因为我们对呼吸的紧迫性有深刻的理解：少吃两顿饭没关系，但是呼吸一定不能够间断。由于血液中的气体含量必须保持在一定的浓度范围内，因此呼吸系统必须有良好的协调。分布在主动脉和颈动脉中的“化学感受器”持续监测着血液中氧气和二氧化碳的浓度，并将信号反馈到位于脑干的呼吸中枢。

即使血液中的气体浓度发生最轻微的变化，也会触发调节呼吸的信号并传递给吸气肌。脑干呼吸中枢的活动也会反馈到大脑，让我们意识到那些迫在眉睫的危险。如果大脑感觉到血液中的氧气或二氧化碳含量出了问题（比如我们屏住呼吸时），就会让我们的身体产生警觉。

我们屏住呼吸时，二氧化碳是造成大多数问题的罪魁祸首，因为当二氧化碳在血液中积聚时，就会形成一种酸。这种酸对细胞来说是有毒的，尤其是当这种酸与它不该结合的蛋白质及其他分子结合时，就会阻碍细胞的正常功能。如果我们持续屏气，缺氧也会是个问题，当细胞中的线粒体因缺氧而停止活动时，细胞也会随之死亡。心肌细胞对此特别敏感，在二氧化碳过多或氧气过少的极端情况下，就会发生心律失常。呼吸是我们身体最重要的事情，大脑会对其进行严格调节。

站在古希腊文明“肩膀”上的血液循环理论

我们对肺部工作过程的理解，以及对所有西方医学的理解，都建立在古希腊文明的基础之上。在古希腊神话中，阿波罗（Apollo）的儿子阿斯克勒庇俄斯（Asclepius）是医神，他的蛇杖如今已成为医学的象征。但医学史上第一个充满传奇色彩的真实人物是希波克拉底（Hippocrates）。他于公元前460年出生在希腊的科斯岛（Kos）。希波克拉底因为创立了所有医生在拿到执业证书时仍然要背诵的誓言而闻名于世，他深刻地认识到疾病是自然作用的结果，而非天神或魔法造成的，因而被称为医学之父。 ²

除了仔细研究过许多解剖学问题，希波克拉底还研究了呼吸系统。他认识到吸入空气是生命存在的基础。因此，希波克拉底等希腊人认为，空气是一种至关重要的、超然的东西。他们称之为“元气”（Pneuma），它的字面意思是“空气”或“呼吸”，但对古希腊人来说，这个词也有“生命力”的意思。这种“元气”被吸入人体后通过肺进入血液，然后进入心脏，变成“活气”（Pneuma Zoticon），或称“生命灵气”（Vital Spirit）。而后这种活气被运输到各个器官（包括肝脏和大脑）后，转化为“精气”（Pneuma Psychicon），或称“动物灵气”（Animal Spirit）。

据说这种精气是人体从空气中创造出来的驱动力。总之，从大地之生气（空气或元气）到活气再到精气，希波克拉底等人深刻地认识到了人类本质上是与大气紧密相连的，是共存的。 ³

希波克拉底去世后大约500年，克劳迪亚斯·盖里努斯（Claudius Galenus）成为下一个改变我们对呼吸系统和循环系统认识的伟大人物。盖里努斯更广为人知的名字是盖伦（Galen），盖伦公元129年9月出生在爱琴海的帕加马 。盖伦的父亲是一位富有的贵族，他原本打算让盖伦成为哲学家和政治家。但当这位父亲梦见医神阿斯克勒庇俄斯来拜访、下令让他的儿子学医后，他改变了计划。盖伦的父亲不惜花重金让盖伦在罗马帝国最好的学府接受教育。

盖伦完成学业后，就在帕加马开始做实习医生。通过大胆的手术，他成了亚洲大祭司的角斗士的私人医生。根据盖伦的报告，他切除了一只猴子的内脏，然后向其他医生提出挑战，要他们修复猴子的身体。没有人敢站出来接受挑战，于是他自己完成了这个外科手术，成功地恢复了猴子的健康，并由此赢得了大祭司的青睐。后来，盖伦移居罗马，成为几位皇帝的私人医生，其中最著名的是公元161年至公元192年在位的康茂德（Commodus）。

盖伦对医学的许多领域都有贡献，增进了我们对呼吸系统和循环系统的了解。他指出，“流经肺部的血液从被吸入人体的空气中吸收氧气，然后将其带入心脏（左心房）。” ⁴ 罗马法律禁止解剖人体，盖伦就解剖灵长类动物和猪。盖伦是第一个描述两种不同循环系统（即动脉和静脉）的人。他认为呈深紫色的肝脏是血液的源泉。他推测有一半的血液从肝脏流向静脉，然后被输送到人体组织中并被消耗掉；另一半血液通过静脉进入肺部，撷取元气，然后进入心脏、动脉和人体各组织。

尽管盖伦关于血液流动的部分理论后来被证明是错误的，但和希波克拉底一样，他的方法论不容小觑，也不容忽视。盖伦强化了这样一种观念：医学和疾病不是神干预的产物，而是可以通过观察、基于因果关系的经验证据以及推论来辨别的。尽管如此，他关于氧气在血液循环中运动的观点，经过了1 000多年才得到纠正。

颇具讽刺意味的是，盖伦的思想在他之后的几个世纪里被奉为信条，尤其是他关于血液在动脉和静脉的流动，以及肝脏是血液生产中心的观点。幸运的是，“呼吸很重要”的观点并不需要纠正，文艺复兴时期的科学家亚历山德罗·贝内代蒂（Alessandro Benedetti）在1497年诗意地写道：“肺通过呼吸，将空气转化成生命灵气，就像肝脏将食物转化成营养一样。” ⁵

改变了我们对血液流动的认识的人是一位在意大利帕多瓦（Padua）受训过的英国医生——威廉·哈维。和盖伦一样，哈维也很有个性，经常在腰带上别一把匕首，这在混乱的文艺复兴时期的意大利很流行。哈维对人类的评价并不高。一位生活在那个时代的传记作家曾说：“他（哈维）总是说，人类只不过是一只伟大的顽皮狒狒罢了。” ⁶

在意大利实习后，回到英国的哈维在业界站稳了脚跟，并于1628年出版了《心血运动论》（ On the Motion of the Heart and Blood ），巩固了他在医学史上的巨人地位。

该著作对我们理解血液在体内流动的基本原理具有重大意义。哈维有两个突破性的见解。哈维指出，他从意大利导师那里了解到，静脉内壁都有单向瓣膜，使血液只能从组织和器官流向心脏。但依据盖伦的假设，静脉系统应该像动脉一样将血液输送到组织器官。那么为什么静脉有静脉瓣，使血液只能从身体的器官流出而不是流入？这件事令人费解。

哈维的第二个重要见解是通过对人和动物进行解剖获得的。他计算出心脏的血液输出量比人们之前想象的要大得多，多达大约每分钟5升。哈维正确地推断出，如此巨大的血流量不可能像盖伦说的那样，被静脉末端的组织完全吸收掉。哈维需要一个更合理的解释，那是一个简单而优雅的系统，但是与已存在1 500年的信条相抵触。为此，他想出了一种人们能经常在自然界中看到的东西：一种循环往复的系统、一个不停流动的系统、一个回路，或者说，就是我们现在都知道的循环系统。人体内的血液并没有被组织消耗掉，而是被重复利用。

正如哈维所推断的那样，血液的确是在循环流动的。血液从动脉进入组织时释出氧气，与此同时，二氧化碳被吸附在血红蛋白分子上。然后，血液通过静脉流入右心房，经右心室取道肺动脉到达肺部。在肺部，呼吸产生的二氧化碳被释放出来，氧气进入血液。接下来血液到达左心房，经左心室通过巨大的动脉系统泵出，再回到组织。血液在这个封闭系统中不断循环，骨髓（而不是肝脏）根据需要补充血液中的红细胞和白细胞（见图2—3）。

由于盖伦的观点是至高无上的，哈维的观点最初被当成了异端邪说。为了回应普遍存在的质疑，哈维于1636年5月做了一次演讲。这次演讲极具启发意义，但场面令人毛骨悚然。在德国巴伐利亚州（Bavaria）的阿尔特多夫大学（University of Altdorf），哈维穿着一件宽大的白色解剖长袍，用拉丁语对教授、学生和公众发表演讲。

首先，他将一只活狗放置在解剖台上，用皮带捆好。接下来，哈维宣称：“观察活着动物的心脏运动和功能，显然比观察死去的人要容易。”说完，他用刀子切开了这只不停挣扎扭动的狗的胸腔，露出了跳动的心脏，然后又切开了靠近心脏的血管，让观众看到大量的血液喷涌而出。他的目的就是要让人们明白他的观点，即心脏就像一个泵，那么多的血是不会被组织消耗掉的，而是通过心脏跳动进行再循环使用。 ⁷

尽管这场演讲的“舞台效果”很震撼，但与哈维同时代的许多人仍然持怀疑态度。科学家卡斯帕·霍夫曼（Caspar Hoffman）参加了哈维的演讲会，他宣称：“我是看到了，但我不相信。”其他批评者则指出，如果哈维想让人们相信他的理论，就必须再做两件事。首先，他需要证明在动脉这端和静脉那端之间有一些血管网。我们现在知道，那就是毛细血管，但哈维当时没有工具来观察或发现这些微小的血管，哈维只能做出有根据的假设。

在科学研究中，假设是常有的，也是必需的。他的假设不久之后就得到了证实。1661年，马尔切洛·马尔皮吉（Marcello Malpighi）出版了《肺脏的解剖学观察》（ Anatomical Observations on the Lung ），用显微镜证实了毛细血管确实存在。

其次，哈维需要说明血液的颜色为什么以及如何从暗淡变得鲜亮。哈维再一次感觉到，这是因为空气中某种重要的东西被肺部吸入，从而使深色的血液变得鲜红。当时没有人知道氧气的作用，但哈维仍在关于“全解剖学”的讲座中凭直觉得出了意义深远的论断：“生命和呼吸是相辅相成的。不存在不呼吸的生命体，也不存在有呼吸的非生命体。”

想要确定肺和身体到底需要在大气中捕捉什么物质，还需要很长的时间。古希腊人确信，空气是四大基本元素之一，其他三种是水、火和土。在接下来的几个世纪里，空气被认为是一种单一的物质。直到18世纪，科学家们才开始通过精巧的实验分离出不同的化学元素，包括空气中所含的化学元素。

约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）被认为是氧气的首批发现者之一。他是在1774年的实验中发现氧气的，并将成果发表在几年后出版的著作《各种空气的实验和观察》（ Experiments and Observations on Different Kinds of Air ）中。

其中一个实验记录表明，在密封的罐子中，老鼠会慢慢死去、蜡烛的火焰逐渐熄灭。接下来，普里斯特利用一种类似放大镜的仪器将光线聚焦在一块汞氧化物上，创造了一种新的气体。他注意到，这种新的气体使蜡烛火苗和老鼠存活的时间比它们在纯空气中时要长得多。普里斯特利与法国科学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）分享了观测资料。拉瓦锡在空气纯化方面做了进一步的实验，并将这种气体命名为氧气。

时至今日，哈维的血液循环基本理论依然完美无缺。我们对炎症、遗传学和细胞运动的认识已经有了很大的提高，但是对循环系统的作用和原理的认识依旧没有太大的变化。打破几个世纪以来的教条并不容易，但我们通过对哈维方法的分析，可以揭示出大多数科学方面的进步是如何实现的。

首先，哈维摆脱了主流理论（在本案例中，盖伦的理论已经主导了科学界1 500年）的束缚。在基于有限的数据做了一些敏锐的观察后，哈维提出了独特的理论。他收集了更多的数据来验证假设，并发现这个假设似乎是成立的。尽管他的模型有两个缺陷（他不知道毛细血管和氧气的存在），但他还是坚持了下来。

有了这些知识，我们今天才能明白用氧气保持患者血液循环流动的重要性。我们也意识到，当这个封闭循环遭到破坏时，后果会是多么严重。

干细胞疗法：急性呼吸窘迫症的“特效药”？

大脑意识到呼吸的重要性，并通过监测氧气和二氧化碳的含量，随时调节呼吸运动。人体为了满足生存需求，在肺部构建了一个强大的安全机制——我们的肺里有五亿个肺泡。这些肺泡铺展开的话，可以达到大约一百平方米，相当于一个网球场的大小。因此，人类在完全失去一侧肺的情况下，另外一侧肺仍能完成所有任务。另一个安全机制是气体交换的效率。

当人类呼吸急促时，氧气从肺泡进入血液只需穿过厚度三分之一微米的毛细血管壁（所谓微米就是百万分之一米，或者千分之一毫米）。但在呼吸平稳时，氧气从肺泡到毛细血管需要穿越的距离可能会增加一倍。

不幸的是，有时呼吸系统会不堪重负，需要借助科技的力量。当我在波士顿的一家医院实习时，一天晚上我接到了一项任务：帮助一位肺功能出现严重衰竭的患者度过危险期。尽管经验不足，但幸运的是我从那些经验丰富的医生那里得到了很多帮助。行医既是一门科学，也是一门艺术，此次经历就是一个例证。

午夜过后，我和住院医师一起坐在护士值班室，焦急地等待着患者莱纳德·约瑟夫（Leonard Joseph）的到来。患者约瑟夫来自缅因州（Maine）的森林深处，患有严重的感染性肺炎，肺部大面积感染，堵塞了肺泡，气体交换受到严重影响。医护人员已经给他上了呼吸机，即便这样，他的肺仍然难以舒张，氧气没有按需进入他的身体，二氧化碳也无法排出去。

当房门打开、急救人员把约瑟夫从外面推进来时，我紧张地接过了一摞厚厚的从缅因州首诊医院带过来的病历。我跟着住院医生进了重症监护室，将患者移到一张病床上，那是他接下来一个月的家。我看了一下，通过气管插管输给他的是100%的氧气，与我们通常从大气中获得的21%的氧气相比，这个量已经很大了。

通过测量动脉血液中氧气产生的压力（动脉血氧分压），可以评估氧气向血液中传输的效率，这个压力体现了动脉血液中氧气含量的多少。为手部供血的桡动脉是一条方便采血的动脉，研究者通常从桡动脉采集动脉血样，以供实验室分析。

传统上，血液中氧气的压力是以血液中的氧气能支撑起多高的水银柱来计量的。一个健康的受试者吸入含有21%氧气的空气时，动脉血液中会产生约95毫米汞柱（mmHg）的血氧分压。然而，来自缅因州的这位患者的血氧分压只有60毫米汞柱，而且这还是他在吸入100%氧气时的测量结果。

一旦血氧含量低于60毫米汞柱，人体组织就无法获得足够的氧气。这时脑细胞开始死亡、心脏开始感到难受。显然，患者此时情况危急，而且没有简单的解决办法。通常情况下，医护人员只需要调高呼吸机的氧气浓度就可以，但现在已经调到最高了。为了稳定约瑟夫的病情，医护人员需要采取更具创造性的措施，而不是简单地调整氧气浓度。

几分钟后，主治医生来了，他和住院医生讨论了进一步治疗的方法，以帮助患者维持氧气的吸入和二氧化碳的排出。主治医生的最后一项建议是“俯卧”（Proning）。说完，他就消失了。我问的第一个问题是“什么是俯卧？”住院医生凯文（Kevin）看着我，不耐烦地说：“‘俯卧’就是把患者的身体翻过来，让他趴在床上。”

我还是不太明白。凯文哼了两声：“俯卧能帮助患者进行氧合和换气。你需要学习肺生理学，去读读韦斯特的书吧。”（对于实习医生来说，不懂的东西太多会受到其他医生的鄙视。）凯文摇了摇头，坐下来翻阅他面前的一堆资料。

凯文所说的书，是约翰·韦斯特（John B.West）所写的一本医学专著。韦斯特在肺医学专科的圈子之外并不出名，但在圈子内地位很高。韦斯特的学术造诣和他出版的教科书，使他成为肺医学领域的一流教育家，在过去的100年里享有较高的盛誉。

1928年，韦斯特出生于澳大利亚的阿德莱德（Adelaide），很小的时候就对科学产生了浓厚的兴趣。后来，韦斯特去英国攻读博士学位，然后到加州大学圣迭戈分校（University of California, San Diego）继续进行肺生理学研究。

在研究期间，韦斯特对肺部工作原理产生了一些独到见解，尤其是意识到肺部的不同区域有着不同的血流和空气流。在职业生涯的后期，韦斯特写了一本关于肺生理学的教科书，由此改变了很多医学院的教学方式。在70岁高龄时，他甚至把注意力转移到了对鸟类肺生理学的研究上。

遵循凯文的建议，我挑选了韦斯特1974年新出版的教科书《呼吸生理学精要》（ Pulmonary Physiology ： The Essentials ）。这本200多页的书，字体朴实无华，图表大，拿在手里感觉很薄，却是极具思想厚度的书，时至今日仍然是许多医生学习现代肺生理学的启蒙书。

在书中，韦斯特博士将肺部解剖作为开头，之后提出了一个极其重要而有力的论断：肺部结构与其功能相适应。关于肺部的一切都应在以下事实的范围内考虑：结构服从功能。

这句话从广义上界定了整个生物学领域。比较和进化生物学学科都是在“结构服从功能”的背景之下认知我们周围生命的起源和发展的。例如，作为食肉动物的非洲狮生活在草原上，就必须具备捕食者的优势：身体强大且速度快，能够在短时间内快速奔跑。它们拥有可以伸缩的大爪子和锋利的牙齿，用来捕杀猎物。

栖息地、食物源、身体、牙齿和爪子，这一切的组合都是服务于同一个明确的目标。野狗的饮食更加多样化，所以相比之下，它们的牙齿仅包含一些犬齿和一些臼齿。野狗的腿和身体是为了速度和距离而设计的，它们没有大爪子，因为不需要。从结构服从功能的角度来看世界，是分析自然系统的有力工具。

韦斯特博士指出，肺的主要功能是促进气体交换。首先，氧气需要进入血液，并被携带到身体的细胞中，以使新陈代谢过程持续进行。换气（指二氧化碳从血液中释放出来的过程）也需要随之进行。

由于结构服从功能，即使我们的新陈代谢需求发生变化，身体也必须有能力提高肺部的工作能力，以便将适当数量的氧气输入血液，将二氧化碳排出体外。例如，锻炼是一种人体组织比平时需要更多氧气、排出更多二氧化碳的状态。细菌或病毒引起的疾病是另一种状态，因为炎症会极大地增加新陈代谢需求。

在大多数情况下，肺部都能够轻松灵活地处理这些需求。从身体处于静止状态时的每分钟5升空气开始，人可以增加呼吸量，每分钟交换10升、20升，甚至30升的惊人空气量。在这种情况下，我们的呼吸频率会自然地提高，而且每次吸入的空气量也会增加，因为通常不用于呼吸的颈部和腹部肌肉，此时也会突然活跃起来，帮助肺部缩张以吸收和释放更多的空气。

这些调整很重要，因为我们必须生存在一个精确的生理参数范围内，并在非常有限的范围内维持氧气和二氧化碳的水平。在胸壁肌肉的帮助下，肺部能够在多种情况下将氧气和二氧化碳的水平保持在那个范围之内。当某些东西干扰了这个强大但有时又很脆弱的系统时，麻烦就来了。

在那个1月的黑暗夜晚，在波士顿住进医院的约瑟夫先生面临的问题是，他需要保持血液中新鲜氧气的供应，保持换气系统适当运作，排出足够多的二氧化碳。过了午夜，在准备往患者脖子上插入一根大口径静脉输液管时，我能感觉到自己的体温在下降。

约瑟夫先生用了很多抗生素，而且呼吸机上显示的各项指标都不稳定，所以我们认为他需要更多的静脉输液，以便更快地发挥药效。为此，我们需要在他脖子上的颈内静脉上插管。我们用清洗液仔细擦洗约瑟夫的脖子时，凯文不停评述着患者的病情。

凯文谈到了患者患有急性呼吸窘迫综合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS），所以我们要使他的肺压维持在较低水平，尽量减少呼吸的工作量。他还谈到该如何密切关注患者的氧合情况，以及该考虑更好的氧合和换气的方法，如让患者吸入前列腺环素，甚至采用体外膜肺氧合（ECMO）。如果我们在接下来的几个小时内不能取得显著进展，或许得考虑采用主治医师所说的“俯卧”方法。

我确实知道了他所说的意思——血液中的氧含量需要保持在至少60毫米汞柱；我也知道，换气量是1分钟的呼吸次数乘以每次呼吸的空气量（或潮气量）的乘积。而且，我们关心换气，是因为它是决定血液中二氧化碳含量的主要因素。当二氧化碳在血液中积聚时，会分解成游离的氢离子，而这些氢离子本质上是酸性的，其含量可以通过pH值来测量。

pH值代表酸碱度，它直接表示溶液中有多少氢离子。pH值通常在0到14之间，其中7表示的是中性值。25摄氏度的水，pH值为7，被认为是完全中性的。如果溶液中有很多氢离子（H ⁺ ）的话，我们就称之为酸性溶液。

pH值低于7的饮料酸性都比较强，如黑咖啡的pH值为5左右，番茄汁的pH值为4左右（pH值与溶液中的氢离子含量呈反比关系，pH值越低，表示氢离子含量越高，酸性越强）。相反，pH值高于7的溶液，我们称之为碱性溶液，例如pH值为9的含苏打的液体，或pH值为11的氨水。这些溶液中的氢离子比酸性溶液中少得多。

人类血液的pH值是7.40，且必须保持在7.35~7.45之间，当然最理想的值是7.40。血液pH值保持在这个范围内非常重要，因为当pH值过低或过高时，人体细胞的蛋白质以及随后发生的新陈代谢就会开始崩溃。

肾脏会帮助人体排出或保留酸以调整pH值，而肺是一个更强大的通过二氧化碳来调节pH值的系统。正如前面提及的，二氧化碳会在血液中分解为酸。出现过多的氢离子、pH值过低时，人体只需要增加呼吸和换气率就可以调节二氧化碳和酸；而在pH值过高时，则需要降低呼吸和换气率让酸积聚。

典型的例子是运动时人体内的二氧化碳含量会上升，此时呼吸会随之增加，并排出二氧化碳，从而使人体内的pH值不会降得太低。与之相反，如果过度换气而不增加二氧化碳的产生，人类可能会窒息（就像惊恐发作时那样）。这是因为如果呼出了太多二氧化碳，酸逐渐变少，人体的pH值就会攀升到危险水平，这就是为什么处于这种情况的人需要从纸袋中吸入自己排出的二氧化碳，以恢复血液所需酸度。

至于这位来自缅因州的患者，我不知道如果他换气不充分导致体内的pH值下降，或者无法保持他血液中适当的氧气水平时，到底应该做些什么。好在我马上就会知道。我站在患者的一侧，拿着一根深静脉穿刺针，正准备深深插入他的颈部寻找颈内静脉时，凯文有点不经意地说道：“哦，顺便说一句，如果你的针扎得太深，刺穿了肺，他可能会心脏骤停并死亡。所以，请务必小心点。”肺的顶部在胸腔很靠上的位置，就在颈部下面。我小心地把针插进去。

我能理解的是，这位来自缅因州的患者的问题是气体交换受损，但我当时对凯文所说的急性呼吸窘迫综合征并没太在意。1821年，法国内科医生勒内·拉埃内克（Rene Laennec）首次在医学文献中提到了这种神秘的肺部疾病，他也是听诊器的发明者。在《关于胸部疾病的专著》（ A Treatise on the Diseases of the Chest ）中，拉埃内克描述了一位患者死亡时的情况：肺部充满积液，但没有心脏衰竭的证据。

当时的医生虽然很熟悉肺部积液，但这种情况几乎总是发生在心脏左侧衰竭之前。胸腔内的循环开始时，静脉血会涌入右心房，通过右心室被泵入肺部。接下来，血液从肺部回流至心脏左侧的左心房，然后自左心室被输送到身体的其余部分。如果心脏的左腔衰竭（在心脏病中经常发生），血液就会回流到肺部，而肺部的液体会溢出到肺泡中。但拉埃内克注意到，在特定的患者身上，液体会在他们没有心力衰竭也没有高血压的情况下流入肺部。只是肺部毛细血管发生了渗漏，患者基本上是死于“溺水”。

在20世纪后期，更多类似病例见诸报道。这种情况通常发生在接受抢救后的受伤士兵中。起初，士兵们的血指标会恢复正常、伤口愈合。但不可思议的是，随后他们的肺发生衰竭，充满液体，渐渐硬化得像块石头。文献中出现了大量诸如“岘港肺”（DaNang lung）和“创伤后肺（损伤）”（Post-traumatic Lung）的术语。这是一种毁灭性的疾病，死亡率接近80%，而且它在很大程度上就是个谜。

1967年，俄亥俄州立大学（Ohio State University）的戴维·阿什博（David Ashbaugh）博士和他在丹佛大学和密歇根大学的同事们发表了一篇论文，部分地解决了这个难题。他们收集了一系列类似病例的信息，并创造了一个新词：急性呼吸窘迫综合征。

他们的论文发表在《柳叶刀》（ Lancet ）杂志上，描述了12名患者的肺部损伤及其病理。这些患者因肺部液体过多而出现呼吸衰竭。 ⁸ 他们在呼吸衰竭前所受的损伤不同——有些是外伤，有些是肺炎，还有一些是胰腺炎。但是他们的呼吸衰竭是相似的——由于毛细血管渗漏，肺部的多余液体会导致功能失调的炎症和瘢痕，最终使肺变得像石头一样僵硬。结果，所有这些受到急性呼吸窘迫综合征影响的肺都无法吸入氧气和排出二氧化碳。

阿什博的论文介绍了一项具有里程碑意义的研究，因为它将真实的人与一种神秘的病症联系起来，这是成功治疗一种疾病的第一步，通常也是最重要的一步。（人们无法研究虚无缥缈的疾病。）而且，非常不同寻常的是，论文中描述的很多内容在今天仍然有意义。不幸的是，这篇论文也成了失败的宣告。

根据这篇论文，急性呼吸窘迫综合征是一种对人体造成严重伤害的疾病，会导致肺部炎症和毛细血管渗漏，但没有心脏病的征兆。研究结果并没有改变什么，因为人们对该综合征的研究还处于在描述阶段。1967年没有治愈方法，现在仍然没有。

到目前为止，医生们为减缓或逆转急性呼吸窘迫综合征造成的炎症和毛细血管渗漏所做的努力都是徒劳的。期刊上充斥着对各种药物尝试的描述，包括类固醇、吸入型一氧化氮和吸入型前列腺环素，但所有这些尝试都没有成功。这些疗法通常仅仅是为小鼠带来了希望，但是所有人类药物试验均遭失败。

然而，即使没有任何单一药物能够改善病情，这种疾病的死亡率也已经大幅下降，从20世纪60年代的80%下降到今天的40%。 ⁹ 这种改善得益于医护人员对适当的呼吸机设置、营养和物理治疗的持续关注。

在医学上，人们在不使用药物的情况下也可以做很多事，急性呼吸窘迫综合征死亡率的大幅下降就说明了这一点。那些研究肺是如何输送空气和血液的人（例如约翰·韦斯特），对这一进展起到了很大的作用。尽管如此，在所有的重症监护病房中，仍有10%的患者是因急性呼吸窘迫综合征而入院的，所以这仍然是一个棘手的问题。

当我们成功地将深静脉穿刺针插入约瑟夫先生的颈部后，凯文和我仔细观察着他的呼吸机。呼吸机起初并没有什么动静，但不久后高压警报触发，表明未能将空气送入患者僵硬的肺部。

我们给呼吸科医师打了电话，让他过来会诊。他和凯文想出了一个办法：降低呼吸机的输气压力，同时延长肺部的进气时间，使注入约瑟夫僵硬肺部的气流变得舒缓。我们还让护士给他注射了有麻醉作用的镇静剂，以平息他的呼吸肌进行的不自主反抗。

这些措施似乎奏效了，呼吸机的警报也不响了，但这只是说明呼吸机上的数据达标了。凯文让我检查患者血液中的气体（氧气和二氧化碳）含量，看看他的身体功能是否也恢复正常了。几分钟后，检测结果从实验室传回。患者的动脉血氧分压刚刚超过60毫米汞柱，二氧化碳含量约为48，对应的pH值为7.30。这些数字虽然还未完全达标，但足以让他熬过这一夜了。

在那个月里，我每天早上6点查房时，第一个要看的患者就是约瑟夫先生。我会分析他的氧合和换气状况，看看有什么需要改进的。晚上在家时，我会翻阅约翰·韦斯特的书。到了月底，我开始理解了一些有细微差别的知识，比如气体交换是如何进行的、肺部的不同部位是如何承受不同数量的氧气和血液流动的。具体来说，肺下叶通常会吸入更多的空气、拥有更多的血流量，其中可能有重力的影响。

在了解了肺部血液流动和空气流动的变化因素后，研究人员最终想出了解决像约瑟夫先生那样的肺僵硬问题的办法，那就是尽量减少肺的换气量。这一想法背后的机理是，肺部的炎症肯定会影响血液流动和循环，因此每次呼吸都不需要正常数量的空气。在这个方案确立之前，医生们向患病的肺部注入了过多的空气，造成了不必要的拉伸，而这种额外的压力又导致了更多的炎症。

约翰·韦斯特帮助我们认识到，空气流量和血液流量是可变的，应该尝试找出与之相匹配的量。2000年，《新英格兰医学杂志》（ New England Journal of Medicine ）刊登的一项有突破性的研究表明，使用呼吸机时，吸入较少空气的急性呼吸窘迫综合征患者的死亡率显著降低。 ¹⁰ 全世界的重症监护室的做法一夜之间就改变了。此前和此后的任何研究，都没有对重症监护室的医疗工作产生如此巨大的影响。

约瑟夫先生是2002年1月入院的，所以每个人都对这篇文章记忆犹新。整个1月里，在保持换气的前提下，我们尽可能地把约瑟夫先生肺部的气流量控制到最小。为了弥补每次吸入的空气量太少，我们把约瑟夫的呼吸频率从正常的每分钟12次提高到了30次，有时甚至是34次。正常情况下，每分钟34次的呼吸速率是不可持续的，但对于一台机器来说是可以的。

我们考虑过在约瑟夫使用呼吸机时，把他的身体翻过来俯卧，通过减少重力的影响来进一步减轻他的肺所承受的压力，从而让肺得到休息并有机会恢复健康。在急性呼吸窘迫综合征等疾病的案例中，肺部正面的肺泡通常较少受到影响。（近来，俯卧通常用于新冠肺炎患者，因为肺炎的炎症几乎总是始于肺的下部。）

整整一个月，我一边学习韦斯特博士的医学理论，一边通过约瑟夫先生不断实践。可以肯定的是，约瑟夫的病情在好转，虽然过程很缓慢。他僵硬的肺部松弛了很多，他白天可以自己呼吸，晚上使用呼吸机。他最终去了一家康复中心，大概恢复健康后，回到了缅因州的荒野。就像医生们经常做的那样，我们所做的一切就是让他活着，直到他能够自愈。

今天，尽管还没有治疗急性呼吸窘迫综合征的特效药，但其他疗法已经取得了进展。其中最重要的是体外膜肺氧合，它会将血液从人体内引出，通过一台机器排出二氧化碳、补充氧气，然后再将血液导入体内。其功能本质上就像一个人造肺。它虽然不是长期的解决方案，但为肺的自我修复争取了时间。关于体外膜肺氧合对成年急性呼吸窘迫综合征患者的治疗效果，研究结论相互矛盾，但对于那些不能使用老式呼吸机的患者，它仍是一种不错的选择。

放眼未来，干细胞的前景不再是虚无缥缈的幻影，而是一种可行的疗法，目前正在进行临床试验。干细胞不仅能转化为不同类型的细胞，而且还能减轻炎症。最近，一项主要分析安全性的二期研究，已经在急性呼吸窘迫综合征患者中完成，并显示出积极的结果。 ¹¹ 进一步的研究正在进行中，整个肺科界都在拭目以待，看看这第一个治疗方案是否可以改善急性呼吸窘迫综合征患者的病情。

飞越珠峰的鸟：对呼吸认识的新高度

约翰·韦斯特在其漫长的职业生涯中，无论是在安静的实验室，还是在珠穆朗玛峰的寒风中，他都会着力思考氧合和换气的问题。在职业生涯的前50年里，韦斯特博士研究的是同一类动物—哺乳动物。但随后他将注意力转向了另一种完全不同的物种—鸟类，将人们对呼吸各重要方面的认识提高到了新的高度。

今天，地球上大约有10 000种鸟类，数量大约是哺乳动物的2倍。它们栖息在各种各样的环境中，能够维持令人难以置信的高生理负荷或高代谢率。其中最突出的是蜂鸟，其翅膀扇动的频率高达每秒70次，心脏每分钟跳动超过1 200次，新陈代谢率是人类的30倍。

另一种引人注目的鸟是斑头雁，能飞到3万英尺的高空。这些生理机能是人类无法匹敌的。韦斯特博士认为，鸟类的肺与人类的肺截然不同，正是这种特有的肺使鸟类能够承受如此高的负荷。 ¹²

1960年，韦斯特博士和一个研究团队在珠穆朗玛峰地区待了6个月，他对鸟类的兴趣正是这时被激发出来的。他们居住的镀锌铁皮房，位于海拔19 000英尺的明波冰川（Mingbo Glacier）上，这个项目因此被称为“银屋探险”。韦斯特和其他科学家在这个高度上研究了高海拔对人体的影响。

在这样的环境中待了一段时间后，由于高原反应，韦斯特变得非常疲惫和瘦弱。一天早晨，当他挣扎着要走时，他从银屋的窗户往外看了看，被一阵嘎嘎的叫声吸引住了。在他头顶上方大约2.1万英尺的高空中，有12只看上去很普通的棕褐色大雁在通常只能看见喷气式飞机的天空中轻松地飞翔。韦斯特无论如何也无法解释，在同样一个地方，为什么自己极度疲劳，而鸟儿却能够轻松地飞行呢？

答案就是鸟类的肺部。尽管鸟类和人类之间存在明显的差异，但其中最重要的区别并没有直观地显现出来，也不为人所知，这可能是鸟类成功占领这么多栖息地的关键因素：鸟类的肺将氧合和换气的工作分开了。人类的肺只是把这两个功能简单地整合在一起。通过膨胀和收缩，使空气流动或换气，很像壁炉的风箱。肺部扩张和收缩的区域同时也容纳了供氧气进入血液和释放二氧化碳的气体交换区。

但是韦斯特通过观察指出，工程师在设计呼吸机时，应该考虑将气体交换和空气流动的功能分开。鸟类就具备这样的肺系统。对于鸟类来说，每次吸气，空气都会进入大而易膨胀的器官—气囊，气囊里面没有气体交换。同时，部分空气被分流到单独的区域进行气体交换，该区域被称为空气毛细管或肺毛细管（见图2—4）。

鸟类呼吸时，气体交换器官不需要弯曲，空气和血管之间的距离薄到令人难以置信，远小于哺乳动物的1/3微米，这使得气体交换更加容易。最后一个不同之处在于，鸟类肺部的空气运动路径呈环状，就像血液一样，所以鸟类在吸气和呼气时都能得到新鲜空气。相比之下，人类只能从吸气过程中获得新鲜空气。

通过比较，韦斯特博士认为，鸟类的呼吸系统比人类的更有效率。人类的肺是结构服从功能，大多数情况下，人类的肺都能满足身体的需求。但在少数情况下，比如有人想要学习斑头雁，尝试不带氧气瓶就去攀登珠穆朗玛峰时，只有一套鸟肺才能派上用场。有些人试图忽视生物学上的限制，有时这会对他们自身造成危害。

人类肺部的结构与人类的运动方式以及生存的基本需求是紧密相连的，它与鸟类的肺部结构截然不同。但令人惊讶的是，尽管各动物种类之间存在着差异，哺乳动物和鸟类血液中氧气的标准含量却完全相同——动脉血氧分压大约为95毫米汞柱。鸟类和哺乳动物的生理系统似乎都被限定在这个最佳的氧气水平，既不低也不高。

我们知道，人体在低氧水平下会出现问题，但在高氧水平下（如超过100毫米汞柱时），氧气可能会因为抓住我们不想让它抓住的电子而变得有毒，类似于氧化导致汽车生锈的过程。化学的规律和限制会作用于我们所有的生物系统，包括肺的总体解剖结构。

支配人类生理机能的不仅有着化学规律。其他自然规律也在起作用。正如本书序言中所描述的那样，人类的肺就像一棵树，向上分枝成树叶，向下展开成树根。也可以把肺比作主河道以及汇入其中的支流。大脑的神经元，从主轴突延伸到末梢，也遵循类似的规律。人体本身也是如此，从躯干分支出四肢，然后又分支出手指和脚趾（见图2—5）。

人们已对这种分支结构非常熟悉了，因为它遵循了构造定律（The Structural Law）。1996年，杜克大学（Duke University）的物理学家阿德里安·贝扬（Adrian Bejan）首次提出了这一物理定律。

他指出：“对于大小有限的系统，要想继续存在（比如生存），那么就必须始终选择更容易的方式来获得这个系统中的流体。” ¹³ 人类肺部的构造恰好就是这种最佳结构，由许多小分支连接到一个大分支。与其他器官不同，肺部与宇宙紧密相连，完美地利用了宇宙分配给它的空间，使血流最大化。从生物学的角度来看，优化流动和运动，显然是生命的目的之一。